Энергосберегающий аппаратно-программный комплекс для гибридных солнечных систем горячего водоснабжения

Актуальность. Конечность ископаемых видов топлива, экологический вред от их сжигания и увеличивающиеся расходы на добычу стимулируют ускорение энергетического перехода всех стран к использованию возобновляемых источников энергии (BИЭ) и развитие экологически чистых и ресурсосберегающих технологий. Подавляющая часть территории России находится в зонах с многолетнемерзлыми грунтами или с сезоннопромерзающими грунтами. Для таких территорий актуально применение ВИЭ, особенно солнечной энергии как наиболее доступной.

Цель работы – совершенствование аппаратно-программного комплекса, направленное на энергосбережение и безопасную круглогодичную работу гибридной солнечной системы горячего водоснабжения.

Материалы и методы. Использована опытно-промышленная гибридная солнечная система горячего водоснабжения с четырьмя вакуумированными трубчатыми коллекторами и солнечной электростанцией с установленной мощностью 5 кВт, расположенная в с. Кафтанчиково Томской области в производственном цехе «НПО ВЭСТ».

В результате натурного экспериментального испытания аппаратно-программного комплекса показана возможность обеспечивать безопасную работу системы с энергосберегающим эффектом в ночное время при температурах ниже точки замерзания теплоносителя в гидравлическом контуре коллекторов.

Выводы. Установлено, что использование разработанного аппаратно-программного комплекса для гибридной солнечной системы с четырьмя вакуумированными коллекторами позволяет практически свести к минимуму дополнительные тепловые потери, которые не превышают 55,8 % от тепловых потерь нагреваемой воды через стенки бака-аккумулятора.

1. Avtar R., Tripathi S., Aggarwal A.K., et al. Population – urbanization – energy nexus: a review // Resources. 2019. V. 8 (3). 21 p. DOI: 10.3390/resources8030136

2. Balatsky A.V., Balatsky G.I., Borysov S.S. Resource demand growth and sustainability due to increased world consumption // Sustainability. 2015. V. 7 (3). P. 3430–3440. DOI: 10.3390/su7033430

3. Klemeš J.J., Varbanov P.S., Lam H. L., et al. Energy, water and environmental footprint interactions: implications for the major economy sectors of Europe, South East Asia and Worldwide // Procedia Engineering. 2016. V. 148. P. 1199–1205. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.630

4. Imasiku K., Ntagwirumugara E. An impact analysis of population growth on energy-water-foodland nexus for ecological sustainable development in Rwanda // Food and Energy Security. 2019. V. 9 (1). 17 p. DOI: 10.1002/fes3.185

5. Sarkar M., Chung B.D. Effect of Renewable Energy to Reduce Carbon Emissions under a Flexible Production System: A Step toward Sustainability // Energies. 2021. V. 14 (1). 215. DOI: 10.3390/en14010215

6. Tsvetkov P. Climate Policy Imbalance in the Energy Sector: Time to Focus on the Value of CO2 Utilisation // Energies. 2021. V. 14 (2). 411. DOI: 10.3390/en14020411

7. Rahi M.R., Ostadi S., Rahmani A., Dibaj M., Akrami M. Studying the Improvement of Solar Collector Mechanism with Phase Change Materials // Energies 2024. V. 17. 1432. URL: https://doi.org/10.3390/en17061432

8. Бубенчиков А.А., Овсянников А.Ю., Николаев М.В. и др. Эффективность преобразования солнечной энергии // Молодой ученый. 2016. № 28.2 (132.2). С. 46–50. URL: https://moluch.ru/archive/132/36969/

9. Croitoru C., Bode F., Calotă R., Berville C., Georgescu M. Harnessing Nanomaterials for Enhanced Energy Efficiency in Transpired Solar Collectors: A Review of Their Integration in Phase-Change Materials // Energies. 2024. V. 17. 1239. DOI: 10.3390/en17051239

10. Cao L., Yu J., Liu X., Wang Z. Evaluation Method and Analysis on Performance of Diffuser in Heat Storage Tank // Energies. 2024. V. 17. 618. DOI: 10.3390/en17030618

11. Hamdan M., Abdelhafez E., Ajib S., Sukkariyh M. Improving Thermal Energy Storage in Solar Collectors: A Study of Aluminum Oxide Nanoparticles and Flow Rate Optimization // Energies. 2024. V. 17. 276. DOI: 10.3390/en17020276

12. Shu Yu. Project of Building: Solar Hot Water // Bulletin of Science and Practice. 2023. V. 9. № 6. P. 408–414. DOI: 10.33619/2414-2948/91/48. EDN: VVRRNU

13. Maraj A., Londo A., Gebremedhin A., Firat C. Energy performance analysis of a forced circulation solar water heating system equipped with a heat pipe evacuated tube collector under the Mediterranean climate conditions // Renewable Energy. 2019. V. 140. P. 874–883. DOI: 10.1016/j.renene.2019.03.109

14. Popsueva V., Lopez A.F.O., Kosinska A., Nikolaev O., Balakin B.V. Field Study on the Thermal Performance of Vacuum Tube Solar Collectors in the Climate Conditions of Western Norway // Energies. 2021. V. 14. 2745. DOI: 10.3390/en14102745

15. Tsvetkov N.A., Krivoshein Y.O., Khutornoi A.N., Boldyryev S., Petrova A.V. Development of the Computer-Aided Application for the Use of Solar Energy in the Hot Water Supply System of Russian Permafrost Regions // Chem. Eng. Trans. 2020. V. 81. P. 943–948. DOI: 10.3303/CET2081158

16. Tsvetkov N.A., Krivoshein U.O., Tolstykh A.V., Khutornoi A.N., Boldyryev S. The calculation of solar energy used by hot water systems in permafrost region: An experimental case study for Yakutia // Energy. 2020. V. 210. 118577. DOI: 10.1016/j.energy.2020.118577

17. Tsvetkov N., Boldyryev S., Shilin A., Krivoshein Y., Tolstykh A. Hardware and Software Implementation for Solar Hot Water System in Northern Regions of Russia // Energies. 2022. V. 15. 1446. DOI: 10.3390/en15041446

18. Кривошеин Ю.О., Цветков Н.А., Толстых А.В., Кузнецова К.А., Жанатулы А.В. Энергоэффективность солнечных систем горячего водоснабжения при температурах ниже точки замерзания теплоносителя // Инвестиции, градостроительство, технологии как драйверы социально-экономического развития территории и повышения качества жизни населения : материалы XIV Международной научно-практической конференции. В 2 частях. Томск, 2024. С. 546–555. EDN: PFVGPS